Глава 30. Взаимодействующие галактики. Активные галактики. Квазары.

Близко расположенные друг к другу галактики очень часто бывают связаны между собой полосой светящейся материи. На это явление впервые указал Цвикки. Часто эти полосы являются продолжением спиральных ветвей, и состоят из звезд. Таким образом, обнаружилось взаимодействие между расположенными близко друг к другу галактиками.

Подробное исследование явления взаимодействия галактик выполнил Б. А. Воронцов-Вельяминов. Для этого был использован Паломарский атлас неба.

В 1952 году Вильсон при помощи телескопа обсерватории Маунт-Паломар (США) произвел фотографирование всего неба севернее склонения -33⁰. Звезды, расположенные южнее, этому телескопу недоступны. Для каждого участка неба было сделано две фотографии – одна с голубым фильтром, а другая с красным. Всего было снято 1870 фотопластинок, которые перекрыли всю названную область неба. На снимках были зафиксированы объекты до 21-й видимой звездной величины. С фотопластинок были сняты отпечатки на бумагу, и в результате получился атлас неба. Конечно, при его помощи нельзя получить спектр, изучить светимость и химический состав объекта. Но когда нужно провести классификацию, или выбрать из объектов какую-то группу по единым признакам, Паломарский атлас обеспечивает больший успех, чем использование телескопа.

Б. А. Воронцов-Вельяминов тщательно исследовал Паломарский атлас, выделил галактики, обнаруживающие взаимодействие, переснял с многократным увеличением изображения этих галактик и составил каталог взаимодействующих галактик, называемый теперь каталогом Воронцова-Вельяминова (VV). В этом каталоге приводится 355 случаев взаимодействия между галактиками. В каталоге есть пары, тройки, цепочки, и есть так называемые тесные группы взаимодействующих галактик.

Рис.30/1. Взаимодействующие галактики: а – VV21, б - VV13.

Рис.30/2. Тесные группы галактик: а - VV 115 (секстет Сейферта), б - VV172 (квинтет Стефана).

Рис.30/3. Цепочки взаимодействующих галактик: а – VV165, б - VV172.

Рис.30/4. Цепочка Маркаряна.

В начале 1960-х годов советский астрофизик В. Е. Маркарян открыл общее движение нескольких галактик, составлявших часть скопления в Деве, что получило название Цепочка Маркаряна. Название связано с тем, что при наблюдении с Земли они выглядят расположенными вдоль гладкой кривой.

Изучение взаимодействия галактик получило свое дальнейшее развитие при выдвижении гипотезы Большого Взрыва. Мы вернемся к этому вопросу в следующем разделе.

При изучении разных объектов мы видим, что некоторые процессы протекают катастрофически. Таковы, например, извержения вулканов на Земле и на Марсе, ураганы на Юпитере, вспышки на Солнце, взрывы новых и сверхновых звезд. Случаются ли подобные катастрофические явления в наблюдаемых галактиках? Да, такие явления могут наблюдаться астрономами.

В 1963 году астрономы Линд и Сэндидж опубликовали результаты исследования галактики NGC3034. Эта неправильная галактика типа II обладает особенностью – ее цвет, как говорят астрономы, не соответствует спектру. Спектр у нее А2, а цвет, вместо того, чтобы быть голубым, оказался оранжево-красным. В подобных случаях может идти речь о наличии диффузной материи. Однако, разница в спектре и цвете столь велика, что количество диффузной материи должно быть очень большим. Исследователи выполнили ряд работ, и обнаружили, что в данной галактике присутствует плотная система темных каналов и светлых волокон диффузной материи (то есть, газа и пыли), связанная с центром галактики и простирающаяся на 3 кпс от ядра.

Рис.30/5. Галактика NGC3034 («Сигара»). (фото телескопа «Хаббл»).

Рис.30/6. Галактика NGC3034 («Сигара»): а - в лучах Н_α (фото 1964 г), б – в рентгеновских лучах (современное фото).

Измерение скорости распространения диффузной материи по линиям спектра показало величину около 1000 км/сек. Все наблюдаемые явления неоспоримо свидетельствуют, что около 1,5 миллиарда лет назад в ядре галактики NGC3034 произошел грандиозный взрыв, вызвавший выброс огромных масс диффузной материи. Можно попытаться оценить массу выброшенной материи – она составляет примерно 5,6 млн. солнечных масс. Энергия, выделившаяся при взрыве, примерно равна 9*1048 Дж. Это в миллион раз больше, чем энергия, выделяемая при взрыве сверхновой звезды! Может ли взрыв в ядре NGC3134 являться уникальным во Вселенной? Конечно же, нет. Вопрос только в том, происходит ли это со всеми галактиками на каком-то этапе их эволюции, или только с некоторыми галактиками, обладающими определенными свойствами.

Если считать, что:

1)мир галактик существует около 10 млрд. лет;

2)в каждой из галактик один раз за все время происходит взрыв в области ядра;

3)взрывы у разных галактик происходят в разное время и равномерно распределены по всему промежутку времени 1010 лет;

4)взрыв наблюдается в течение 10 млн. лет,

то только у одной из тысячи галактик в наше время может наблюдаться взрыв.

Перед астрономами встала задача – проверить другие галактики. В 1980-х годах Воронцов-Вельяминов указал на галактики NGC5195 и NGC3077, которые имеют сходные черты с взрывающейся NGC3034. Они тоже относятся к неправильным, и в них примерно по радиусам, идущим от центра, располагаются темные каналы со светлыми волокнами. Хотя у них, в отличие от NGC3034, не наблюдается интенсивного радиоизлучения, тем не менее, взрыв мог в этих галактиках произойти раньше, радиоизлучениеослабело и не обнаруживается, а остальные последствия еще видны.

Рис.30/7. Галактика NGC3077: а – фото 1983 года, б – современное фото (телескоп «Хаббл»с увеличением).

Галактика NGC5195 – спутник галактики Гончих Псов (см. рис. 28/17), имеющая самостоятельное название.

Рис.30/8. Галактика NGC5195 – спутник галактики Гончих Псов, очевидно, тоже с признаками взрыва.

Активными в современной терминологии называются такие ядра галактик, в которых происходят процессы, сопровождающиеся выделением большого количества энергии, не объясняющиеся активностью находящихся в них отдельных звезд и газово-пылевых комплексов.Признаками активности ядер могут быть:

-выбросы струй газа или быстрых частиц из ядер.

-высокая мощность радиоизлучения, связанного с выбросом высокоэнергичных электронов из ядра, излучающих в магнитном поле

-быстрое движение газа со скоростями в тысячу километров в секунду

-излучение большой мощности в коротковолновых (оптической, ультрафиолетовой и рентгеновской) областях спектра, сконцентрированное в очень небольшой области размером менее светового года.

Рис.30/9. Галактика NGC4486: а – фото 1980-х годов, б – фото телескопа «Хаббл».

Активная галактика — галактика с активным ядром. Такие галактики подразделяются на: радиогалактики, сейфертовские, лацертиды (блазары) и квазары. В настоящее время принято считать, что в центре активной галактики находится массивный компактный объект, скорее всего, — черная дыра, которая и является причиной повышенной интенсивности излучения, особенно, в рентгеновском диапазоне. Из ядер таких галактик, обычно, вырывается релятивистская струя (джет). Отличительной чертой многих активных галактик является переменное (от нескольких дней до нескольких часов) рентгеновское излучение. Есть мнение, что квазары, сейфертовские галактики, радиогалактики и блазары — одно и то же, но видимое с Земли с разных точек зрения. Есть указания на то, что вращающаяся галактика становится активной периодически, то есть активность — это не свойство галактики, а ее состояние. Наиболее принятой сегодня является точка зрения, что активность галактических ядер обусловлена сверхгигантской черной дырой в центре галактики.

Радиогалактики- это галактики, излучающие в радиодиапазоне сильнее, чем в оптическом. Первым известным таким объектом былисточник Лебедь А, о котороммы уже говорили, как о черной дыре в центре Млечного Пути. В настоящее время известно уже несколько таких источников.

Рис.30/10. Радиогалактика Персей А (NGC1275): а – фото телескопа «Хаббл», б – фото в радиодиапазоне.

В первые годы после открытия дискретных источников радиоизлучения в астрономии сложилось странное положение. В тех местах, где наблюдались интенсивные источники радиоизлучения, отсутствовали сколько-нибудь приметные видимые объекты, а там, где наблюдались оптически яркие объекты, не отмечалось интенсивного радиоизлучения. Исключение составляло лишь Солнце. Перед астрономами встала проблема отождествления дискретных источников радиоизлучения. Все наблюдавшиеся радиоисточники явственно делились на две группы. Первая из них имела ярко выраженную концентрацию к галактическому экватору, и располагалась в узкой полосе вдоль него. Вторая же группа, более многочисленная, состоит из источников, располагающихся вне этой полосы, и распределенных по всем областям неба равномерно, без признаков концентрации к галактическому экватору. Естественно, что первая группа – это источники, входящие в состав нашей Галактики, закрытые от нас облаками темной материи. Вторая группа, очевидно – внегалактические источники. С 1950-х годов проводилась работа по отождествлению внегалактических радиоисточников с оптическими объектами, которая в основном была успешной. Однако, внимание астрономов привлекли пять радиоисточников, обладавших необъяснимым набором свойств. Все отождествленные радиоисточники имели диаметры в несколько минут или десятков секунд дуги, диаметр же этих пяти объектов составлял меньше секунды дуги. Такие маленькие размеры, в представлении астрономов, могут иметь только звезды. При этом их радиоизлучение не уступало по интенсивности потоку от радиогалактик. Эти необычные по своим свойствам объекты назвали звездоподобными – квазарами (quasistellarradiosource). По спектрам квазаров, после длительной работы по их расшифровке, удалось вычислить их скорость и расстояние. Это оказались отдаленнейшие объекты Вселенной – расстояние до них превышает 1000 Мпс. Их линейные размеры не превышают 5000 пс, при этом их светимость в несколько десятков, а то и сотен раз превышает светимость Туманности Андромеды.

Рис.30/11. Квазар 3С273 – самый известный из первооткрытых квазаров: а – фото 1970-х годов, б – фото телескопа «Хаббл».

Более того, при дальнейших наблюдениях оказалось, что квазары могут изменять свой блеск, что привело астрономов к выводу о взрывных процессах, происходящих в этих удивительных объектах.

Рис.30/12. Рентгеновские снимки квазара 3С273, показывающие изменение его блеска.

Физическая природа квазаров до сих пор остается гипотетической. Однако большинство исследователей склоняется к версии, что это очень большие черные дыры.Когда воронка черной дыры затягивает в себя материю, материя ускоряется, и частицы этой материи начинают нагреваться от трения друг об друга. Скорость частиц становится все больше и больше, а температура все выше и выше. Такие процессы вызывают выделение огромного количества энергии в разных видах, главным образом, рентгеновского. Когда масса материи будет поглощена, ее энергия выбрасывается в виде излучения вдоль северного и южного полюсов черной дыры, формируя джет.

Рис.30/13. Квазар в изображении художника. На фоне рисунка – реальный спектр квазара, показывающий всплески излучения.

Еще одна версия происхождения квазаров говорит о том, что это очень молодые галактики, процесс возникновения которых мы наблюдаем. Процесс эволюции галактик мало изучен, и, возможно, квазары являются состоянием ранней стадии их образования. Тогда выплески энергии квазаров происходят из очень молодых ядер новых активных галактик. Некоторые из ученых предполагают, что, квазар – это молодая галактика, которую пожирает черная дыра, а сияние, которое наблюдают астрономы – это все, что остается от галактики, погибшей в черной дыре.

Рис.30/14. Изменение вида квазара. Фото телескопа «Хаббл».

На июль 2011 года самый удаленный квазар (ULAS J112001.48+064124.3) находился на расстоянии около 12,8 млрд св. лет от Земли.Чем больше расстояние, на котором мы наблюдаем квазары, тем больше их возраст.В 2015 году астрономы обнаружили квазар, обозначенный как SDSS J0100+2802, который находится на расстоянии немногим более 13 млрд. световых лет, а значит, по расчетам, появился через 900 млн лет после Большого взрыва.

Рис.30/14. КвазарSDSS J0100+2802.

Примечательно, что новый квазар является первым, обнаруженным при помощи инфракрасного телескопа - до него подобные объекты обнаруживали только при помощи обычных оптических телескопов. Пределом видимости для таких телескопов является как раз расстояние в 12,8 млрд. световых лет.

Очень сложно определить точное число обнаруженных на сегодняшний день квазаров. Это объясняется, с одной стороны, постоянным открытием новых квазаров, а с другой — отсутствием четкой границы между квазарами и другими типами активных галактик. В опубликованном в 1987 году списке Хьюитта — Бербиджа число квазаров 3594. В 2005 году, по некоторым данным, количество известных квазаров перевалило за 20 000.

Квазары называют маякамиВселенной. Они видны с огромных расстояний, по ним исследуют структуру и эволюцию Вселенной, определяют распределение вещества на луче зрения. Ввиду большой удаленности квазары, в отличие от звезд, выглядят практически неподвижными, поэтому радиоизлучение квазара используется для высокоточного определения с Земли параметров траектории автоматической межпланетной станции.

Почти все активные галактики являются эллиптическими или неправильными. Однако, существуют и спиральные активные галактики; в центрах некоторых из них, расположенных относительно близко к нам, имеются маленькие яркие пятнышки. Это галактики с активными ядрами. В их центральных областях находятся обширные облака горячего газа. Газ разогревается энергией, исходящей из ядра.К 1983 г. обнаружено около 200 галактик, ядра которых обладают подобными признаками, их назвали "сейфертовскими".Многие из них открыты советскими астрономами при анализе спектров галактик с избытком излучения в УФ-области (так называемые галактики Маркаряна). В настоящее время известно около 600 галактик с сейфертовскими признаками.

Рис.30/15. Мерцающая галактика Маркарян 1018.

Сейфертовские галактики - это, как правило, спиральные галактики типов Sa и Sb. Они часто входят в состав пар и групп галактик, но избегают богатых скоплений. По отношению к нормальным спиральным галактикам сейфертовские составляют приблизительно 1%, т.е. можно считать, что продолжительность активной фазы ядра, переводящей галактику в разряд сейфертовских, составляет около 10⁸ – 10⁹ лет.Нетепловое излучение ядра исходит из очень компактного (около 0,1 пс), скорее всего единого, тела, о чем свидетельствует характер переменности: наряду с медленной (годы) низкоамплитудной (в оптическом диапазоне 0,5^m) составляющей имеется быстрая (месяцы и недели) высокоамплитудная (1^m) составляющая.

Рис.30/16. Сейфертовская галактика NGC4151 в разных диапазонах излучений.

Интересно, что переменность излучения в разных диапазонах сдвинута по времени. Так, радиовспышки могут отставать от оптических вспышек на годы, а интенсивность линий излучения меняется с запаздыванием в месяцы по отношению к непрерывному оптическому излучению. Изучение спектров сейфертовских галактик позволяет считать, что в их ядрах находится своеобразный "мини-квазар".

Пока нет общепринятой точки зрения относительно возможной природы активности ядер галактик разных типов. Обнаружение очень своеобразного двойного звездного объекта SS 433 позволило предположить, что аналогичный объект, но большего масштаба, может существовать в галактических ядрах и обусловливать их активность.

Рис.30/17. Рисунок, показывающий строение объекта SS 433. Это двойная звездная система, одним из компонентов которой является нейтронная звезда, либо черная дыра. Подобные объекты получили название «микроквазар».

Нет пока ясного ответа и на вопрос о том, какого типа объекты являются предшественниками сейфертовских галактик. Не исключено, что ими могут быть некоторые из слабоизлучающих в радиодиапазоне квазаров. Данные последних лет показывают, что большая часть из них связана с ядрами не эллиптических систем (как это имеет место в случае квазаров с высокой интенсивностью радиоизлучения), а плоских систем, напоминающих по своим параметрам гигантские спиральные галактики. Вполне возможно, что квазароподобные ядра в этих системах за ~10⁸ лет могут проэволюционировать в ядра сейфертовских галактик.

Лацертиды — мощные источники электромагнитного излучения в ядрах некоторых галактик, ассоциирующиеся со сверхмассивными черными дырами. Они характеризуются непрерывным спектром во всех диапазонах электромагнитного излучения (гамма, рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом, инфракрасном и радио). Для них типичны также быстрые и значительные изменения светимости во всех диапазонах спектра за период времени в несколько суток или даже часов. Свое название эти объекты получили от переменного источника BL Ящерицы.

Рис.30/18. Снимок источника BL Ящерицы, полученный российским орбитальным комплексом «Радиоастрон» в 2017 году.

Первоначально этот объект считался неправильной переменной звездой нашей Галактики и в 1941 году получил обозначение по системе, принятой для переменных звезд. В 1968 году объект был идентифицирован Шмидтом в обсерватории Маунт-Паломар как яркий переменный радиоисточник, и была обнаружена слабая галактика, в которой он находится.Основной признак лацертид — высокая переменность блеска, достигающая в оптическом диапазоне 4—5^m (то есть стократное изменение светимости). Спектр иххарактерен для синхротронного излучения и по ряду признаков отличается от спектров квазаров. Спектр слабой туманной оболочки вокруг яркого ядра лацертид имеет линии поглощения и типичен для звездного населения эллиптических галактик.Оцененные расстояния до лацертид оказываются несколько меньше расстояний до типичных квазаров (для BL Ящерицы 280 Мпк).

В 2016 – 2017 годах в исследовании лацертид принял участие российский космический радиотелескоп «Радиоастрон» совместно с 15 наземными радиотелескопами из России, Европы и США. Вместе они образовали огромный наземно-космический интерферометр. В ходе наблюдений на самой короткой длине волны доступной «Радиоастрону», ученые смогли добиться рекордного углового разрешения за всю историю астрономических наблюдений в 21 микросекунду дуги.

Рис.30/19. Принцип работы радиоинтерферометра со сверхдлинной базой. Сравнение углового разрешения при съемке BL Ящерицы с размерами ближайших космических объектов.

Блазар представляет собой очень компактный квазар, связанный с предполагаемой сверхмассивной черной дырой в центре активной гигантской эллиптической галактики.

Блазары представляют собой меняющие свой блеск с высокой скоростью галактики с активными ядрами. Название объединяет лацертиды и группу квазаров, которым свойственна высокоамплитудная переменность блеска в оптическом диапазоне (BL + квазар). Блазары – очень мощный источник электромагнитного излучения во всех диапазонах от радио до гамма, способные сильно изменять свою светимость за короткие промежутки времени (от часов до суток). Эта особенность блазаров связана с тем, что в активном состоянии они испускают струи частиц (плазмы), движущиеся с околосветовой скоростью. Эти плазменные струи, джеты, достигают в длину несколько световых лет.

Рис.30/20. Снимок блазара 3С454.3, сделанный орбитальным гамма-телескопом «Ферми».

Многие проблемы возникновения и развития галактик, а также протекающих в них процессов, продолжают оставаться насущными вопросами современной астрономии. Появившиеся в последние десятилетия данные еще ждут своего осмысления и тщательной теоретической проработки.